温度测量在冶金、石油、化工、机械制造、国防以及国民经济其他部门都具有十分重要的意义。测量温度的传感器很多, 热电偶就是其中较常用的一种, 因而对高性能热电偶测温模块的通道信号调理电路的研究有较大意义。

热电偶的温度测量范围很宽, 在温度传感器中占有重要的地位。热电偶和其他温度传感器不同, 它直接产生输出电压 (温差电势) 信号, 在良好的工作电路中可以实现高精度测量。热电偶的基本工作原理是基于物体的热电效应即塞贝克效应, 它是由两种不同导体组成的闭合回路, 当两个节点温度不同时, 回路将产生电势, 该电势的方向和大小分别取决于导体的材料和两个节点的温度差。用热电偶测温具有以下优点:

(1) 可将温度直接转换成电信号, 便于测量。

(2) 惰性小、准确度高、测量范围广, 测温时, 由于热电偶和被测对象之间能有良好的热接触, 因而能获得较高的测温准确度。

(3) 结构简单、制造容易、价格便宜。

(4) 热电偶的测量端可以制成体积很小的接点, 由于它的热容量小, 所以动态响应速度快。

(5) 可做成多种结构, 以满足各种测量对象的要求, 如点温和面温的测量。

(6) 适用于远距离测量与自动控制。

同时, 热电偶测温也存在一些缺点, 如准确度难于超过0.2℃;参考端温度会影响测量, 必须进行补偿;在高温或长期使用时, 易受被测介质影响或环境腐蚀作用, 在应用时应加以重视。

热电偶信号是毫伏级电压信号, 量程在 -80 mV~ + 80 mV范围内, 热电偶测温模块根据热电偶分度表, 将测量到的热电偶毫伏信号换算为对应的温度值。热电偶测温模块的性能取决于模块的软硬件设计, 关键部分就是热电偶信号采集通道的硬件设计, 而信号采集通道硬件设计最关键部分就是热电偶毫伏信号到A /D芯片之间的信号调理过程。

高精度热电偶测温模块的硬件电路主要组成部分包括保护电路、滤波电路、断线检测, A/D转换、冷端补偿及FPGA单元控制和通信部分, 如图1所示。

TI公司的ADS1248芯片是高度集成的24位分辨率精密Delta-Sigma ADC, 集成了低噪声可编程增益放大器PGA (G =128时为40 nV) , 带单周期设定数字滤波器以及振荡器, 可对50/60 Hz等工频噪声进行同步抑制, 并集成开路检测功能, 4组差分/7组单端输入, 内置高精度电压参考基准源, 2通道匹配的可编程电流源DACs, 内置通道切换模拟开关, 无需外围器件, 通过软件就可进行采样通道间切换。功耗仅为2. 56mW, 可针对温度测量 ( RTD、热电偶、热敏电阻) 、流量/压力测量以及工业过程控制等应用提供一款低功耗模拟前端解决方案。具体硬件设计见图2和图3。

图2信号调理电路图中D1、D2为TVS (瞬态电压抑制二极管) , 对静电、浪涌等干扰进行抑制和保护后续电路, 同时利用共模线圈L1、R1/R2和C3组成的RFI滤波电路可以消除工业现场的高频共模干扰和差模干扰信号, 其中C3为X2Y电容。阻容构成的RFI滤波器的 -3 dB共模带宽为1.59 kHz, 在有强RF干扰情况下, 会存在RF整流问题, 这种干扰会表现为较小的直流偏置电压, 影响测量值, 通过前端的低通滤波器可以很好解决此类干扰;同时ADS1248芯片内部集成了FIR数字滤波器, 在本模块配置采样速率为20 S/s时, 可对工频干扰信号提供至少60 dB的抑制。

由于ADS1248芯片内部集成开路检测 (burnoutdetection) 功能, 通过软件配置可以在TC回路激励2μA电流, 可方便实现热电偶的断线检测功能。

数字侧FPGA对ADS1248芯片的控制和SPI数据通信通过ADI iCoupler数字隔离器ADum1200进行电气隔离, 相比传统的光耦隔离, 实现了高速、低功耗和很好的抗干扰性能。

图3为热电偶冷端补偿电路, 其中JP2外接两线制PT100热电阻, 接到ADS1248模拟输入端, 通过测量对应输入端的电压, 可实时算出冷端处PT100的阻值, 根据PT100分度表, 方便计算出冷端温度。

本模块的设计方案最终测试可以实现表1的性能指标。

本文通过具体描述热电偶测温模块的通道信号调理电路的硬件设计关键技术, 设计出测量精度高、抗干扰性能强的热电偶温度测量模块。目前已成功在各种工业测温现场中大量应用。